一种高导热性钛合金材料的制备方法与流程

本发明涉及钛合金材料制备领域，特别涉及一种高导热性钛合金材料的制备方法。

背景技术：

1、钛及钛合金材料具有密度小、比强度高、热膨胀系数小、耐腐蚀性好、相容性高、易焊接的优势特征，在航空航天、化工、医疗等领域得到广泛应用。

2、但钛合金材料在各领域的使用过程中仍面临着因导热性差而到来一系列的问题。首先，钛合金的热导率低，意味着它不容易散热，这在一些需要高温工作的场合会造成困难。例如，在航空发动机中，钛合金的部件会受到高温气体的冲击，如果不能及时散热，会导致材料的热疲劳、氧化、裂纹等损伤，影响发动机的性能和寿命。此外，钛合金由于导热性较差，在热加工过程中除了加热不当造成锻件或原材料过热外，在锻造过程中还容易因为变形时的热效应造成过热，引起显微组织变化，产生过热魏氏组织。最后，钛合金导热系数低，仅是钢的1/4，铝的1/13，铜的1/25。加工中热量不能及时传导出去，造成切刃局部高温(加工中的刀尖温度是钢的1倍以上)，易于在切削区形成高温，加工后零件变形回弹大，造成切削刀具扭矩增大、刃口磨损快，耐用度降低。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种高导热性钛合金材料的制备方法，该方法基于粉末注射成形利用包镍多壁碳纳米管有效改善了钛合金材料的导热性。同时可实现净成技术，减少后续加工工序。

2、实现本发明目的的技术方案是：本发明包括以下步骤：

3、s1、喂料制备：将混合粉末与喂料混合制备形成喂料；其中混合粉末包括混合的钛合金球形粉末和包镍多壁碳纳米管；所述钛合金球形粉末粒径为1～20μm；所述包镍多壁碳纳米管的直径为20～30nm，内径为5～10nm，长度为10～30μm，镍含量大于60wt％；混合粉末中包镍多壁碳纳米管的添加量≤1wt％；

4、s2、将喂料置于注射成型机内，注射形成生坯；

5、s3、将生坯进行脱脂，形成脱脂坯；

6、s4、将脱脂坯进行烧结，获得烧结坯。

7、由于普通碳纳米管结构稳定，表面光滑，悬挂键很少，和金属基体粉末的浸润性很差，因此需要对碳纳米管进行化学镀的表面改性工艺处理以提高碳纳米管分散性并且使碳纳米管与金属基体粉末形成良好的界面结合。而采用包镍多壁碳纳米管能够与金属基体粉末形成良好的界面结合。

8、同时钛合金由于活性大，易与碳，氧反应生成碳化物和氧化物。碳纳米管的主要成分是碳，为防止钛合金粉末在烧结过程中与碳纳米管表面发生反应，破坏碳纳米管的结构。需在碳纳米管表面进行镀镍处理。而包镍的含量大于60％，能够在基于粉末注射成形工艺中，最大限度杜绝钛合金与碳纳米管之间的反应。

9、同时之所以选择钛合金球形粉末，是因为其形状规则使得粉末颗粒之间的空隙较小，粉末颗粒之间易形成烧结颈，有利于烧结致密化。此外，选择钛合金球形粉末与包镍多壁碳纳米管混合能够使得包镍多壁碳纳米管能够更好地包覆在粉末颗粒表面。

10、进一步，上述步骤s1中制备喂料包括以下步骤：

11、a、将包镍多壁碳纳米管添加到含有分散剂的无水乙醇溶液中进行分散；

12、b、待包镍多壁碳纳米管完全分散后，放置到可加热的真空蒸馏装置中进行干燥，获得分散的包镍多壁碳纳米管；

13、c、按照权利要求1步骤s1中所述的比例将包镍多壁碳纳米管与混合的钛合金球形粉末进行充分混合；

14、d、添加粘结剂进行混炼，制备形成喂料。

15、由于碳纳米管材料之间具有很强的范德华力，导致这些碳纳米材料之间相互吸引，容易产生团簇聚集。聚集成团簇的碳纳米材料在成型过程中与基体不能形成较强的结合，这将造成碳纳米增强体在基体中分布不均匀、界面结合力差和存在空隙孔洞等问题，严重影响材料的各项性能。碳纳米管表面缺陷少、缺乏活性基团，在各种溶剂中的溶解度都很低。碳纳米管由片层结构的石墨组成，碳原子的sp2杂化形成高度离域化的电子。通过添加合适的表面活性剂，形成非共价键结合，得到非共价功能化碳纳米管，同时提高溶解度，把碳纳米管分散于介质中。

16、进一步，上述喂料中混合粉末与粘结剂的比例为0.5≤v1/v2≤1.9，其中v1为混合粉末的体积，v2为粘结剂的体积。

17、混合粉末与粘结剂的体积比与所选用混合粉末的实际振实密度有关。根据粉末的实际振实密度选择合理的体积比有助于粘结剂能够完全包覆粉末颗粒，既不会造成粉末颗粒过多导致的喂料流动性变差，也不会造成粘结剂含量过多导致注射产品的保形性变差。

18、作为优化设计，上述混合粉末体积占比为58％～63％，其余为粘结剂；所述粘结剂的组分按照质量百分比包括60％～70％的聚甲醛，12％～15％的聚乙烯，15％～20％的聚丙烯以及3％～5％的硬脂酸；所述喂料的装载量范围是53％-73％。

19、作为优化设计，上述粘结剂的体积比为35％～45％，粘结剂的成分为：75％～80％的聚甲醛、5％～10％的聚乙烯、5％～10％的聚丙烯、3％～5％的润滑剂以及1％～3％的抗氧剂。

20、进一步，上述步骤s2中，注射时模具温度为80～120℃，喂料加热温度为160～220℃，注射压力为80～120mpa；保压时间1～2.5s。

21、进一步，上述步骤s4中，烧结温度t满足以下条件：0.6tl≤t≤0.95tl，其中tl为混合粉末的理论熔点温度。

22、本发明具有积极的效果：(1)本发明拟通过在钛合金球形粉末中添加一定量的高导热性的包镍多壁碳纳米管材料来改善钛合金导热性差的问题。包镍多壁碳纳米管作为一种金属基复合材料的增强体，除了能够改善钛合金材料的导热性之外，一定程度上也能改善钛合金材料的力学性能。

23、(2)本发明的方法简单、可行，可以在常规的mim设备上实施，无需额外的设备和工艺。本发明的产品具有优异的导电性、导热性和机械强度，可以广泛应用于航空航天、汽车、医疗、电子等领域。

技术特征：

1.一种高导热性钛合金材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种高导热性钛合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤s1中制备喂料包括以下步骤：

3.根据权利要求1或2所述的一种高导热性钛合金材料的制备方法，其特征在于：所述喂料中混合粉末与粘结剂的比例为0.5≤v1/v2≤1.9，其中v1为混合粉末的体积，v2为粘结剂的体积。

4.根据权利要求3所述的一种高导热性钛合金材料的制备方法，其特征在于：所述混合粉末体积占比为58％～63％，其余为粘结剂；所述粘结剂的组分按照质量百分比包括60％～70％的聚甲醛，12％～15％的聚乙烯，15％～20％的聚丙烯以及3％～5％的硬脂酸；所述喂料的装载量范围是53％-73％。

5.根据权利要求3所述的一种高导热性钛合金材料的制备方法，其特征在于：所述粘结剂的体积比为35％～45％，粘结剂的成分为：75％～80％的聚甲醛、5％～10％的聚乙烯、5％～10％的聚丙烯、3％～5％的润滑剂以及1％～3％的抗氧剂。

6.根据权利要求1所述的一种高导热性钛合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤s2中，注射时模具温度为80～120℃，喂料加热温度为160～220℃，注射压力为80～120mpa；保压时间1～2.5s。

7.根据权利要求1所述的一种高导热性钛合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤s4中，烧结温度t满足以下条件：0.6tl≤t≤0.95tl，其中tl为混合粉末的理论熔点温度。

技术总结
本发明涉及一种高导热性钛合金材料的制备方法，包括以下步骤：S1、喂料制备：将混合粉末与喂料混合制备形成喂料；其中混合粉末包括混合的钛合金球形粉末和包镍多壁碳纳米管；S2、将喂料置于注射成型机内，注射形成生坯；S3、将生坯进行脱脂，形成脱脂坯；S4、将脱脂坯进行烧结，获得烧结坯。本发明基于粉末注射成形利用包镍多壁碳纳米管有效改善了钛合金材料的导热性。同时可实现净成技术，减少后续加工工序。

技术研发人员：苏绍华,刘永伟,许克顺,邬均文,王明喜
受保护的技术使用者：江苏精研科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15